电力电子技术在电力系统中的应用研究

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　　【摘 要】电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据统计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能经过一次以上电力电子变流装置的处理。离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的。直流输电在长距离、大容量输电时有很大优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。柔性交流输电亦依靠电力电子装置才得以实现。无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要意义，晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）都是重要的无功补偿装置。静止同步补偿器（STATCOM）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功补偿和谐波补偿的性能。直流电源和不间断电源（UPS）还用作发电厂和变电所的保护电源、事故电源和备用电源。电力电子装置在电力系统中随处可见。
　　【关键词】电力系统；电力电子技术；应用；浅析
　　1、电力电子技术的发展
　　电力电子技术分为器件的制造技术和电力电子电路的应用电路（变流技术）。电力电子器件经历了半控型（第一代电力电子器件）、全控型（第二代电力电子器件）和复合型（第三代电力电子器件）的发展过程，把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC），目前其功率较小，但其代表了电力电子技术发展的一个重要方向。
　　1.1 电力电子变换技术
　　电力电子变换电路的基本功能是将电网的电能转换为负载需要的形式，不论电路拓扑结构如何，其基本转换电路只有4种形式：（1）整流电路AC―DC：（2）斩波电路DC―DC：（3）逆变电路DC―AC：（4）交流变换电路AC―AC。
　　1.2 电力电子控制技术
　　电力电子控制电路的基本功能是应用自动控制理论和计算机技术来提高系统的性能，一般的控制方式有：相控方式，频控方式，斩控方式，相频控制方式及斩频控制方式，先进的控制方式对改进变换电路的性能和效率是必不可少的关键技术之一。
　　随着自关断器件的普遍应用，电力电子电路向高频化反向发展，一些新的电路拓扑形式比如谐振型逆变电路、矩阵式逆变电路等不断涌现。PWM控制对推动电力电子技术的发展起了历史性作用，其它控制方式比如应用静止/旋转坐标变换的矢量控制、瞬时无功功率控制、自适应控制、采用状态观测器的控制、模糊控制、神经元控制等，这使得电力电子系统的控制技术发展到一个崭新的阶段。目前应用越来越广的基于微处理器的数字控制技术在很多方面取代了模拟控制，是控制技术的一个新的发展方向。
　　2、电力电子技术的应用
　　2.1 在发电环节中的应用
　　电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。
　　2.1.1 大型发电机的静止励磁控制
　　静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。
　　2.1.2 水力、风力发电机的变速恒频励磁
　　水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时（尤其是抽水蓄能机组），机组的最佳转速变随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。
　　2.1.3 发电厂风机水泵的变频调速
　　发电厂的厂用电率平均为8%，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并不完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。
　　2.2 在输电环节中的应用
　　电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。
　　2.2.1 直流输电（HVDC）和轻型直流输电（HVDC Light）技术
　　直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。
　　2.2.2 柔性交流输电（FACTS）技术
　　FACTS技术的概念问世于20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。
　　2.3 在节能环节的运用
　　2.3.1 变负荷电动机调速运行
　　电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将二者结合起来，电动机节电方较完善。目前，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流调速，我国正在推广应用中。
　　2.4改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业
　　根据世界上较为发达的国家进行的预测和判断，今后将有百分之九十以上的电能需要利用电力电子技术进行处理之后，才可以进行使用。电力电子技术与百分之九十五的现代的工业以及各种民用的机电设备有很大的关系。特别指出的是，电力电子技术是一个用弱电来控制强电的载体，同样也是计算机技术与机电设备之间进行接口的重要瓶颈。该技术可以为传统产业和新兴产业将来采用微电子技术创造有利的条件和强大的技术支持，还可以为将来充分发挥计算机技术的优势奠定强有力的技术条件和基础。
　　电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域，只有不断的加大已有研究成果的技术应用和运行投入，不断改善经济可行性，才能大幅度提高电力系统的稳定水平，产生巨大效益。文中概述性地介绍电力电子技术在电力系统中的各类应用，重点在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用。
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